振动放顶煤技术机理研究

摘要：详细介绍了振动放顶煤技术的原理和机理。通过实验室试验揭示了在重力自然放煤方式下，当顶煤块度达到放煤口宽度的1/3左右时，块裂顶煤在放落过程中极易形成铰接拱，而使后续顶煤难以放落。验证了振动放顶煤技术原理及其机构的可行性，证明了采用振动放顶煤技术可有效地提高顶煤采出率和降低混矸率。

关键词：振动，放顶煤，散体

1 放顶煤开采技术现状与问题

从1982年综采放顶煤开采技术引入我国,至今已有20多年的历史。但是80年代引进的长壁放顶煤开采技术当时在国外尚不成熟，这项技术是在中国发展、成熟的。实践表明，放顶煤开采技术具备了使厚煤层长壁工作面的生产能力和经济效益达到一个空前水平的能力。

十几年来，我国综放开采技术虽然取得了很大进步，但作为厚煤层长壁开采的一种新方法，它给原有采煤方法的生产系统、岩层控制以及安全技术等各个方面提出了大量新的问题，其中：如何保证较高的采出率，以满足国家对煤炭采出率的要求?怎样了解破碎煤矸冒落时的运移规律、散体煤的运动学和运动力学规律并加以控制，以提高采出率?是放顶煤开采技术亟待解决的问题之一[1]。

现行的放顶煤开采技术及其支架尚存在明显的弱点和不足，致使顶煤采出率降低（尤其是在工作面两个端部）和顶煤混矸率增高。究其根本原因在于：现有放顶煤开采方法基本上是靠矿山压力作用破煤、破裂煤体自然冒落的一种技术方案，当煤体较软、矿山压力大、煤体破碎块度小时，顶煤放落容易、采出率高；在顶煤较硬、或矿山压力显现不明显的条件下，顶煤破裂块度大，在放煤口处极易形成铰接拱结构，其一个拱脚位于支架掩护梁上，另一个拱脚位于采空区矸石上，如图1所示。而现有支架尚无法破坏该拱结构，致使后续顶煤无法顺利放出，造成现行放顶煤开采技术的采出率偏低的问题。

图1 在放煤口处所形成的铰接拱结构示意图

2 振动放顶煤技术原理

振动放顶煤技术正是为了解决现行放顶煤开采顶煤回收过程中存在的这一问题而提出的。该技术通过在目前的低位放煤支架的掩护梁上安装振动器(如图2所示)，振动器产生沿掩护梁倾角方向的大振幅、大出力、低频振动，一方面可有效地破坏重力放煤过程中可能形成的铰接拱结构，实现顶煤顺利放落；另一方面在振动作用下可使下部顶煤产生较大的水平运动，从而相对地减少了上部顶煤的垂向运动，同时也可减少矸石的不均匀向下运动，降低了顶煤回收过程中的混矸率。这就是振动放顶煤提高采出率，减小混矸率的基本技术原理。振动机构采用可以实现大振幅、大出力的液压激振系统，方便工作面的使用，易于保证安全。

图2 振动放顶煤振动系统机构原理图

1-振动机构，2-支架掩护梁，3-简易支架

图3 振动放顶煤实验系统

3 振动放顶煤实验室试验

3.1  振动放顶煤试验系统

振动放顶煤实验系统如图3所示。主要由以下几部分构成：

1) 动力系统：包括柱塞泵、电机、电磁换向阀和溢流阀等。他们的技术规格分别为：柱塞泵：排量：32L/min，额定工作压力25MPa，最高工作压力31.5MPa；电机：功率22kW； 10mm通径的电磁换向阀、溢流阀等组成。

2) PLC可编程控制系统：PLC可编程控制器采用SIMENSE-S7200系列，CPU222控制器，采用VB语言，编制了相应的计算机控制软件。该软件具有良好的人机界面，易于操作，通过计算机可直接控制振动放顶煤试验系统的参数。

3) 简易支架：考虑到实验室具体条件，设计了振动放顶煤简易支架，其具体参数为：高度2.0m，长度2.4m,宽度：1.2m。

4) 振动机构：考虑到振动放顶煤工业性应用和实验室实验的方便性，设计了简单有效的振动机构，主要包括：齿型振动板、液压缸(推力20T，工作压强25MPa,外径133mm)和滑动导轨等。振动机构可通过螺钉固定在简易支架的掩护梁上，便于安装。

3.2  实验结果

3.2.1 散体块度对放煤过程的影响

通过大量的放顶煤实验室试验发现，散体的块度大小对放煤过程有着重要的影响。当散体块度较小时，放煤过程比较顺利，即可使顶煤顺利的放出。而当顶煤块度较大时，放煤过程中极易形成铰接拱结构。

3.2.2 放煤过程中拱结构的形成

通过大量振动放顶煤试验，可以发现，在自然重力放煤的过程中，若有大块煤的存在，且其块度达到放煤口宽度的1/3左右时，极易在放煤口处形成铰接拱结构。自然放煤过程中，形成的铰接拱结构如图4所示。

图4  重力放矿时铰接拱的形成

图5 振动过程中铰接拱的破环

3.2.3振动作用下散体的移动规律

在重力放煤过程中，由于散体块度较大，易形成铰接拱。此时若开启振动机构，则振动器产生沿掩护梁倾斜方向的大振幅、大出力的低频振动。在振动作用下，原重力放矿过程中所形成的铰接拱结构得到破坏，可使后续顶煤得以顺利放出。振动过程中铰接拱的破坏和散体的移动过程如图5所示。

4  实验结果分析

4.1  重力放矿过程中拱的形成机理

在尚未进行开采活动时，可以认为煤体中的裂隙处于原始状态（张开、互不干扰）；进行开采后，在支承压力区范围内，由于应力状态的改变，裂隙逐渐扩展。

不同煤层裂隙的宏观分布特征不同。软煤破坏过程中裂隙的宏观分布特征是：裂隙宽度小、高度小而密度大，裂隙方位、倾角变化大，形成贯通裂隙时裂隙的长度小、裂隙间距小，所以裂隙贯通后切割所形成的破碎块体几何尺寸小；在顶煤整体失稳前，单条裂隙不会有极大的裂隙张开量（宽度和高度）。因此在软煤中，顶煤位移量大，一定意味着裂隙众多，顶煤极其破碎，顶煤位移体现在众多的裂隙与一定的裂隙张开量之间；当顶煤的若干块体失稳时，由于顶煤破坏后形成的块体小，大量的小尺寸块体很难形成平衡结构，因此软煤的失稳是一种滑落，顶煤垮落角一般大于90度。[2]
硬煤的破坏则与软煤有着明显的不同：由于硬煤内部缺陷少，而裂隙的产生、扩展主要围绕内部却先进性，加之裂隙发育期短良好的顶板储存了大部分上覆岩层的变形能，因此硬煤中裂隙生成数量较少，裂隙分步呈现间距大而密度小的特征，裂隙形成贯通时裂隙间距大、裂隙长度达，因此裂隙切割所形成的块体几何尺寸较大；在顶煤整体失稳前，裂隙张开量较大，顶煤位移表现为一定的裂隙数量与较大的裂隙张开量；即使顶煤的若干块体失稳，少量较大几何尺寸的顶煤块体不仅有可能形成拱式平衡，防止顶煤的整体失稳，而且仍然能够承担部分载荷，顶煤垮落角小，如果处理不当，不能保证获得满意的放煤效果。

中硬煤的破坏情况介于硬煤和软煤之间，视具体条件而异，顶煤垮落角在80度左右，放煤是一种顶煤垮落后的坠落运动。

通过前面分析可见，现有放顶煤开采方法基本是靠矿山压力自然破煤，破裂煤体自然冒落的一种技术方案，当煤体较软、矿山压力大且煤体破碎块度小时，顶煤放落容易，采出率高；而当顶煤较硬且煤体破裂块度较大时，少量较大几何尺寸的顶煤块体有可能形成拱式平衡，而阻碍顶煤的继续放出。

4.2  振动过程中拱的破坏机理

在振动作用下，由于振动作用，破坏了原已形成的拱平衡结构，使得顶煤继续放出，利于顶煤回收率的提高。同时，振动作用可使散体间的粘性阻力和内摩擦力降低，散体的松散系数增加，抗剪强度降低，使散体具有更好的流动性。

图6  泵站压力、振动频率与振动影响范围的相关曲线

4.3  振能在散体中的传播规律

研究振能在散体中的传播规律，对于振动放顶煤技术参数的确定具有重要的意义。影响振能的主要因素有：振动频率和激振力的大小(这里用泵站压力代替)。在泵站压力不变的情况下，改变振动频率，可以看到振动的传播范围是不一样的；同理，在振动频率不变的情况下，改变泵站压力可以获得泵站压力与振动的传播范围之间具有如下关系。根据实验室试验，获得振动频率、泵站压力与振动的传播范围之间的相关曲线如图6所示。

5 结论

振动放顶煤技术原理及其机构，是提高顶煤放出率的重要创新。课题组通过一年的努力，经过可行性论证、结构设计、系统设计、样机加工和实验室试验等过程的研究工作，获得了如下结论：

1) 采用PLC可编程控制系统，成功地实现了大振幅、大出力的放顶煤液压激振，研制了低位放顶煤1：1的液压激振试验台。振动波及顶煤范围可以达到0.6m以上，从振动板到波及范围的顶部，碎裂散体的振幅或速度近似呈线性分布。

2) 进行了大量振动放顶煤的1：1试验，揭示出在单纯重力放矿情况下，顶煤块度与顶煤放落过程中成拱几率的关系。当块度达到放煤口宽度的1/3左右时，块裂顶煤在放落过程中极易形成绞接拱，而使后续顶煤难以放落。

揭示出了碎裂顶煤、散体顶煤在重力、水平和垂直激振力的复合作用下，顶煤流向放煤口的动态规律及其混矸规律，实验揭示振动可以大大地减少顶煤放落过程中成拱的几率，大幅度增加顶煤流动速率，从而减少混矸率。同时，振动可以很好地破坏顶煤放落过程中形成的不稳定的铰接拱，从而使后续顶煤顺利放落，达到提高顶煤回收率的目的。

参考文献

[1]  吴健，张勇. 关于长壁放顶煤开采基础理论的研究[J]. 中国矿业大学学报, 1998, Vol.27(4): 332－335.

[2]  张勇，吴健. 放顶煤开采顶煤的裂移度及顶煤可放性[J]. 中国矿业大学学报, 2000, Vol.29(5): 506－509.